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使用线程池

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Java语言虽然内置了多线程支持,启动一个新线程非常方便,但是,创建线程需要操作系统资源(线程资源,栈空间等),频繁创建和销毁大量线程需要消耗大量时间。

如果可以复用一组线程:

┌─────┐ execute  ┌──────────────────┐
│Task1│─────────>│ThreadPool        │
├─────┤          │┌───────┐┌───────┐│
│Task2│          ││Thread1││Thread2││
├─────┤          │└───────┘└───────┘│
│Task3│          │┌───────┐┌───────┐│
├─────┤          ││Thread3││Thread4││
│Task4│          │└───────┘└───────┘│
├─────┤          └──────────────────┘
│Task5│
├─────┤
│Task6│
└─────┘
  ...

那么我们就可以把很多小任务让一组线程来执行,而不是一个任务对应一个新线程。这种能接收大量小任务并进行分发处理的就是线程池。

简单地说,线程池内部维护了若干个线程,没有任务的时候,这些线程都处于等待状态。如果有新任务,就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态,新任务要么放入队列等待,要么增加一个新线程进行处理。

Java标准库提供了ExecutorService接口表示线程池,它的典型用法如下:

// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);
executor.submit(task4);
executor.submit(task5);

因为ExecutorService只是接口,Java标准库提供的几个常用实现类有:

  • FixedThreadPool:线程数固定的线程池;
  • CachedThreadPool:线程数根据任务动态调整的线程池;
  • SingleThreadExecutor:仅单线程执行的线程池。

创建这些线程池的方法都被封装到Executors这个类中。我们以FixedThreadPool为例,看看线程池的执行逻辑:

// thread-pool
----
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池:
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            es.submit(new Task("" + i));
        }
        // 关闭线程池:
        es.shutdown();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private final String name;

    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start task " + name);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("end task " + name);
    }
}

我们观察执行结果,一次性放入6个任务,由于线程池只有固定的4个线程,因此,前4个任务会同时执行,等到有线程空闲后,才会执行后面的两个任务。

线程池在程序结束的时候要关闭。使用shutdown()方法关闭线程池的时候,它会等待正在执行的任务先完成,然后再关闭。shutdownNow()会立刻停止正在执行的任务,awaitTermination()则会等待指定的时间让线程池关闭。

如果我们把线程池改为CachedThreadPool,由于这个线程池的实现会根据任务数量动态调整线程池的大小,所以6个任务可一次性全部同时执行。

如果我们想把线程池的大小限制在4~10个之间动态调整怎么办?我们查看Executors.newCachedThreadPool()方法的源码:

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                    60L, TimeUnit.SECONDS,
                                    new SynchronousQueue<Runnable>());
}

因此,想创建指定动态范围的线程池,可以这么写:

int min = 4;
int max = 10;
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(min, max,
        60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());

ScheduledThreadPool

还有一种任务,需要定期反复执行,例如,每秒刷新证券价格。这种任务本身固定,需要反复执行的,可以使用ScheduledThreadPool。放入ScheduledThreadPool的任务可以定期反复执行。

创建一个ScheduledThreadPool仍然是通过Executors类:

ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(4);

我们可以提交一次性任务,它会在指定延迟后只执行一次:

// 1秒后执行一次性任务:
ses.schedule(new Task("one-time"), 1, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的每3秒执行,我们可以这样写:

// 2秒后开始执行定时任务,每3秒执行:
ses.scheduleAtFixedRate(new Task("fixed-rate"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的3秒为间隔执行,我们可以这样写:

// 3秒后开始执行定时任务,以3秒为间隔执行:
ses.scheduleWithFixedDelay(new Task("fixed-delay"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

注意FixedRate和FixedDelay的区别。FixedRate是指任务总是以固定时间间隔触发,不管任务执行多长时间:

│░░░░   │░░░░░░ │░░░    │░░░░░  │░░░  
├───────┼───────┼───────┼───────┼────>
│<─────>│<─────>│<─────>│<─────>│

而FixedDelay是指,上一次任务执行完毕后,等待固定的时间间隔,再执行下一次任务:

│░░░│       │░░░░░│       │░░│       │░
└───┼───────┼─────┼───────┼──┼───────┼──>
    │<─────>│     │<─────>│  │<─────>│

因此,使用ScheduledThreadPool时,我们要根据需要选择执行一次、FixedRate执行还是FixedDelay执行。

细心的童鞋还可以思考下面的问题:

  • 在FixedRate模式下,假设每秒触发,如果某次任务执行时间超过1秒,后续任务会不会并发执行?

  • 如果任务抛出了异常,后续任务是否继续执行?

Java标准库还提供了一个java.util.Timer类,这个类也可以定期执行任务,但是,一个Timer会对应一个Thread,所以,一个Timer只能定期执行一个任务,多个定时任务必须启动多个Timer,而一个ScheduledThreadPool就可以调度多个定时任务,所以,我们完全可以用ScheduledThreadPool取代旧的Timer

练习

使用线程池

小结

JDK提供了ExecutorService实现了线程池功能:

  • 线程池内部维护一组线程,可以高效执行大量小任务;

  • Executors提供了静态方法创建不同类型的ExecutorService

  • 必须调用shutdown()关闭ExecutorService

  • ScheduledThreadPool可以定期调度多个任务。


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